ساخت و طراحی آیس بانک

آیس بانک 

آیس بانک (Ice bank) یا به عبارتی سیستم ذخیره سازی انرژی برودتیِ یخ، مکانیزمی است نسبتاً جدید به منظور بهینه سازی مصرف انرژی که در تهویه مطبوع و برودت صنعتی، در کنار چیلر تراکمی به منظور کاهش مصرف برق مورد بهره برداری قرار می گیرد. همچنین این سیستم، مشخصاً در صنایع غذایی بخصوص صنعت لبنیات نیز بسیار پرکاربرد بوده و در فرایند های مختلفِ تولید محصولات لبنی مورد استفاده قرار می گیرد.

 توجه داشته باشید که آیس بانک یک روش ذخیره سازی انرژی گرمایی (Thermal Energy Storage = TES) در دمای پایین می باشد. ممکن است این موضوع کمی در ابتدا عجیب به نظر برسد که چطور یک مکانیزم تولید سرما، نوعی سیستم ذخیره سازی گرما محسوب می شود؟ اما دلیل این موضوع ساده است. سرما مفهوم فیزیکی ندارد و در واقع نبود یا کاهش انرژِی گرمایی سبب کاهش دما و ایجاد سرما می شود. به همین دلیل آیس بانک یک نوع سیستم ذخیره سازی گرما در دمای پایین به حساب می آید. به عبارت دیگر، تولید یخ در آیس بانک نتیجه و محصول نبود گرماست و ما در این روش پس از تولید یخ (ذخیره گرما در دمای پایین) سعی داریم از انرژی برودتی آن در زمان دیگری استفاده کنیم.

در تهویه مطبوع و برودت صنعتی یکی از چالش های موجود، میزان مصرف برق چیلرهای تراکمی است، اعم از چیلر تراکمی هوا خنک، چیلر تراکمی آب خنک و یا حتی مینی چیلرها. کمپرسور موجود در سیکل تبرید تراکمیِ این دستگاه ها، بیشترین سهم برق مصرفی را دارد.

از طرفی چون کاربرد چیلرها در سرمایش واحدهای مسکونی، تجاری، اداری و حتی برودت صنعتی مدام رو به افزایش بوده و استفاده از آنها بسیار رایج شده است، بکارگیریِ آیس بانک ها (بخصوص در پروژه های بزرگ) نیز روز به روز در حال توسعه می باشد. بعلاوه افزایش هزینه و تعرفۀ انرژی ها از جمله انرژی الکتریسیته (برق) سبب گسترش بیشتر استفاده از آیس بانک ها شده است. آیس بانک در تهویه مطبوع با عنوان سیستم ذخیره سازی یخ (Ice storage system) نیز شناخته می شود.

قیمت آیس بانک 

اجزا و ساختار آیس بانک

آیس بانک ها شامل اجزا و ساختار پیچیده ای نیستند و مهم ترین قسمت تشکیل دهندۀ آن همان مخازن ذخیره یخ و کویل برودتیِ موجود در این مخازن می باشد. البته تعدادی شیر کنترلی نیز در مدار دستگاه نصب می شوند. ممکن است با توجه به نوع سیستم و فرآیندی که قصد داریم در کنار آن ها از مخزن یخ استفاده کنیم، یک سری قطعات جانبی اضافه یا حذف شوند، اما مخزن و کویل یا همان مبدل جرارتی موجود در مخزن دو مؤلفۀ اصلی آیس بانک ها به حساب می آیند.

تانک یخ و کویل موجود در آن

تانک یا مخزن یخ در سیستم های ذخیره سازی یخ (آیس بانک) در انواع گوناگون، مطابق با فضای موجود و البته نیاز پروژه در نظر گرفته می شود، اما رایج ترین آن ها در سیستم های گلیکولی، مخازن استوانه ای استاتیک است که کویل یا مبدل حرارتی در داخل آن قرار می گیرد. لوله های کویل داخل مخزن معمولا از جنس فولاد، پلی اتیلن یا پلی پروپیلن می باشند.

اجزای آیس بانک

ساختار و اجزای آیس بانک

با توجه به شکل فوق مشخص است که در طول روز، بار برودتی داخل ساختمان از طریق فن کویل ها و یا هواسازها جذب شده و جریان آبی که گرمای داخل ساختمان را جذب کرده مجدداً به چیلر باز می گردد تا دمایش از طریق دفع گرما به محیط کاهش یابد. به همین دلیل چیلر را یک ماشین انتقال گرما یا پمپ انرژی می نامند. اما تفاوت مکانیزم فوق در مقایسه با شرایط مرسوم این است که بخشی از کاهش دمای آب برگشتی از ساختمان، توسط آیس بانک و به کمک ذوب یخ های ذخیره شده اتفاق می افتد. در ادامه توضیح خواهیم داد که این نوع از ذخیره سازی یخ را Partial storage (ذخیره سازی جزئی) می نامند.

اگرچه آیس بانک ها ساختارساده ای دارند، اما می بایست توجه داشت که طراحی و تولید اصولی آنها، رعایت الزامات مربوط به اتصالات و همچنین اعمال درست فرآیندهای کنترلیِ لازم، اهمیت بسیاری در بهره برداری درست از سیستم ذخیره سازیِ یخ خواهند داشت.

نحوۀ عملکرد و کارکرد آیس بانک

پس از آشنایی با اجزا و نحوۀ بکارگیریِ آیس بانک، ممکن است این سؤال برای شما پیش بیاید که یخ موجود در آیس بانک ها چگونه و با چه روشی تولید می شود؟

در سال های گذشته، آیس بانک های بکار رفته در صنعت، عمدتاً از نوع DX بوده اند. به این معنا که بجای چیلر از کندانسینگ یونیت برای تولید یخ در آنها استفاده می شد. اما، امروزه در تمامی پروژه های تهویه مطبوع و حتی در برودت صنعتی، آیس بانک های گلیکولی، بکار گرفته می شوند. یعنی برای آنکه بتوان بجای مبرد، جریان آب را با دمای مورد نیاز (حدود 5- درجۀ سانتی گراد) توسط چیلر تولید نمود و برای تولید یخ از داخل کویل آیس بانک عبور داد، درصدی گلیکول (ضد یخ) به جریان آب اضافه می شود. این چنین با عبور آب و گلیکولِ 5- درجۀ سانتی گرادی از داخل لوله های کویل آیس بانک، آب موجود در مخزن یخ زده و آمادۀ ذخیره سازی خواهد شد.

به طور معمول ماده گلیکولی 25% و آب 75% این ترکیب را تشکیل می دهند. نقطه انجماد این محلول حدود منفی 12 درجه سانتی گراد است.

هدف اصلی از بکارگیری آیس بانک در پروژه های تهویه مطبوع، کاهش هزینه های تأمین و مصرف برق می باشد. اما، سؤال اینجاست که مگر برای تولید یخ در آیس بانک از خود چیلر استفاده نمی شود. پس چطور میزان برق مورد نیاز و نیز هزینه های برق مصرفی در سیستم دخیره سازی یخ کاهش می یابد؟

پیش از این نیز توضیح داده شد که تعرفۀ برق در ساعات کم مصرف (شب تا صبح) بمراتب کمتر از طول روز است. نمودار زیر مربوط به منحنی بار برودتیِ یک ساختمان در طول 24 ساعت می باشد. همانطور که مشاهده می کنید، از حدود ساعت 6 بعد از ظهر به بعد، بار برودتی به شدت کاهش یافته و در ساعات 12 شب تا 6 صبح تقریباً بار برودتی صفر است. ساعاتی که مصرف برقِ شبکۀ شهری حداقل بوده و بهمین علت تعرفۀ برق بین 2 تا 5 برابر ارزانتر است. تولید یخ در آیس بانک درست در همین ساعات اتفاق می افتد. بنابراین ما با هزینۀ بسیار کمتری یخ را تولید کرده و از انرژی برودتی آن در طول روز (بخصوص ساعات اوج بار برودتی) که هزینۀ مصرف برق به مراتب بیشتر است، استفاده می کنیم.

علاوه بر کاهش هزینۀ برق مصرفی، به کمک سیستم ذخیره سازی یخ (آیس بانک) می توان مقدار برق مورد نیاز برای پروژه (Demand) را نیز کاهش داد و به این ترتیب کارفرما در راه اندازی پروژه مبلغ کمتری را برای خرید برق ساختمان پرداخت خواهد کرد.

بار برودتی ساختمان و کاربرد آن در آیس بانک

منحنی بار برودتی ساختمان

منحنی یا گراف بار برودتی بر اساس کاربری ساختمان (مسکونی، اداری، تجاری، خدماتی و …) می تواند متفاوت باشد و از آنجا که شکل نوسانات بار برودتی در طراحی و ظرفیت سنجیِ آیس بانک نقش بسیار مهمی دارد، می بایست این نوسانات را با توجه به کاربری ساختمان به دقت بررسی نمود.

محدوده های زمانی پر مصرف و کم مصرف ( On-peak vs Off-peak)

محدوۀ ساعاتی که مصرف برقِ شبکۀ شهری بالاست را ناحیه پیک یا اوج بار (On-peak) و محدوۀ ساعاتِ خارج از آن را ناحیه کم مصرف یا غیر پیک (Off-peak) می نامند.

بهمین دلیل در بازۀ زمانی پیک یا پر مصرف، تعرفه و هزینۀ بیشتری از سمت دولت یا شرکت های تولید کنندۀ برق به منظور کاهش مصرف و به دنبال آن کاهش فشار بر روی شبکه تولید و توزیع برق در نظر گرفته می شود. همچنین طرح های تشویقی دولت برای تولید لامپ های کم مصرف، تخفیف بیشتر به مشتریان کم مصرف و خرید تضمینی برق از نیروگاه های CHP از جمله اقداماتی است که در راستای کاهش فشار شبکۀ تولید و توزیع صورت می گیرد.

با توجه به توضیح فوق دو راه کار و استراتژی مشخص برای کاهش هزینه های مصرف برق وجود دارد:

کاهش میزان تقاضای برق در زمان پیک مصرف (Peak shaving)

انتقال بار الکتریکی مورد تقاضا به ناحیه کم مصرف یا غیر پیک (Load shifting)

در واقع سیستم ذخیره سازی یخ یا آیس بانک می تواند از جمله مصداق های ویژه ای باشد که هر دو استراتژی Peak shaving و Load shifting را شامل می شود. بطوریکه با کوچک شدن و یا حتی حذف چیلر در مقایسه با شرایط مرسوم، میزان تقاضای برق در زمان پیک مصرف به حداقل رسیده و از طرف دیگر بخشی یا تمام بار الکتریکی موجود در زمان پیک مصرف به ساعاتِ غیر پیک منتقل می شود که این چنین همانطور که قبلاً هم گفته شد، علاوه بر کاهش هزینۀ مصرف برق، کارفرما پول کمتری را در ابتدای راه اندازیِ پروژه برای تأمین برق مورد نیاز پرداخت می کند.

مقایسۀ پیک سایی و جابجایی بار (Peak shaving vs Load shifting)

ممکن است در نگاه اول اینطور تصور شود که هر دو استراتژیِ پیک سایی و انتقال بار الکتریکی مشابهِ یکدیگر هستند. اما در واقع این دو روش با هم تفاوت دارند و بسته به نوع ذخیره سازی یخ در آیس بانک (جزئی و کامل) و شکل پروفیل بار برودتی، می توان هر دو روش را پیاده کرد. در ادامه تفاوت این دو استراتژی را بررسی می کنیم.